JP2010285977A - 水素専用コンプレッサー内蔵式６行程エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】環境的に理想的な水素を燃料とするエンジンを、商業的に実用化できる高駆動で安定した自動車エンジンにする。
【解決手段】エンジンのピストンの背圧を利用し、各気筒毎に２個のコンプレッサーを設け、水素と空気を別々の気筒内で加圧し、これらを予混合器で爆発当量混合気体とし、これを上部のエンジンに２〜５ｋｇ／ｃｍ^２で圧入し、更にこれを圧縮して１５ｋｇ／ｃｍ^２以上の高圧にしてから、点火爆発、排気、掃気用冷空気吸入、掃気用空気排出をくり返して常圧の空気を吸入して爆発させていた従来の水素エンジンとは比較にならない大きい動力を生み出す、水素専用コンプレッサー付６サイクルエンジンとした。
【選択図】図３

Description

本発明は水素を燃料とするレシプロ式エンジンに関するものである。

環境と化石燃料資源枯渇の現状から新エネルギーとして水素が注目されているが、水素の総発生熱量の低さから、著しい小出力と、ノッキングやバックファイアー、直噴インジェクターの能力の過小もあって、水素エンジンは実用化の目途は立っていない。

京大、塩路昌弘；自動車技術会ＶＯＬ６１、ＮＯ１１、２００７、Ｐ９３〜９６

発明が解決しようとする課題

この発明は、燃料として水素を使用しながら、バックファイアーやノッキングを起こさず安定した運転が可能であること。

従来の水素エンジンは著しく小出力であったが、これを商業的に実用化できる高駆動のレシプロエンジンを提供する。

課題を解決するための手段

バックファイアーやノッキングなどの主原因が４サイクルエンジンのバルブオーバーラップ時における高熱の排気ガスと吸入水素空気ガスの一瞬の接触にあることから、排気行程の後に掃気吸入行程と掃気排気行程を設け、燃焼室筒内部を冷却する行程を持つ。このため、このエンジンは３ストロークの６サイクルエンジンとなる。これでエンジンの安定した運転と高い圧縮比が実現する。

水素は総熱量が炭化水素と比べて低いために、水素エンジンは小出力であったが、この発明は限られた筒内容積の中に、炭化水素に匹敵するような熱量を作り出すために、水素と空気の燃焼当量ガス（以下「混合ガス」と称する）を２〜５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力をかけて、筒内に圧入し、これをピストンで更に圧縮して爆発させ、発生総熱量をメタンやプロパンなどに匹敵するようにした。
更に、水素は燃焼速度が炭化水素よりも３倍以上速いため、これを利用して、エンジンの回転数を高め、水素エンジンの小出力を克服した。

上記の水素と空気を２〜５ｋｇ／ｃｍ^２に加圧された混合ガスをつくるために、筒内を第一と第二の隔板によって上下に分け、斜線で示す上部の第一ピストンと下部の第二ピストンはそれぞれの隔板を貫ぬくピストン管によって連がれ、上下に連動する。

第一ピストンの上方は内燃機関の燃焼室で下方は混合ガス用の第一圧縮室である。第二ピストンの下方は混合ガス用の第２圧縮室で、その下方は第二隔板を経てクランクシャフト室に連がっている。

このエンジンは第一ピストンの上方を内燃機関として動力を生み出させ、そこで発生する約５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力の一部（約５分の１）を第一ピストン下方の背圧として利用する。この強力な背圧をもって、ピストン管４を経て第二ピストンをも下方に圧迫して、第一、第二圧縮室の気体を強力に圧縮する。これらの圧縮力は各気筒毎に、水素と空気を別々の気筒で加圧し、これを予混合器で混合ガスとし、上方の内燃機関本体に供給する。水素と空気の爆発当量は約１対２．５であるので、４気筒のエンジンの場合、１気筒分の水素コンプレッサーと３気筒分の空気コンプレッサーを配置した。

このエンジンは筒内壁や諸器の過熱並びにバルブオーバーラップを避けるために、過負荷時には、掃気冷空気の圧入時に少量のエンジンオイルと水とのエマルジョンをインジェクター２２により、筒内に噴霧することは、筒内の冷却と潤滑に良い効果をもたらす。

この発明はエンジンに２〜５ｋｇ／ｃｍ^２の混合ガスを筒内に圧入、これを圧縮、点火爆発（膨張）、排気、掃気冷空気圧入、掃気空気排気という３ストローク、６サイクルの働らきをする。エンジンの下部には気筒毎にピストンの背圧を利用した２段の圧縮室を備えた水素と空気のコンプレッサーを有し、エンジンヘッドには混合ガス圧入弁、冷気圧入弁、スパークプラグ、排気弁を備えている。下部コンプレッサーのピストンの直径は、エンジン部のピストンの直径より大きくし、エンジンに供給する混合ガス量を増加することもできる。

発明の効果

環境にすぐれた評価をもちながらも、使用し難いエネルギーとされてきた水素にこの発明は高いエネルギー評価を与えることができる。従来法は水素の加圧に意を払っても、空気の加圧に無関心であったので高出力は期待できなかった。本発明では燃焼助剤としての空気も高圧にして、これを混合ガスとし、更にこれをピストンで圧縮して高いエネルギーを発生させることで、筒内の限られた空間の中で水素のエネルギーを充分に引き出すことで発明の効果があったということができる。

「水素専用６サイクルエンジンの説明」その１（水素エンジンとコンプレッサー）
この発明は、水素を燃料とする、３ストローク、６サイクル（行程）エンジンで爆発力を強めるために水素と空気の両方を圧縮するコンプレッサーを内蔵している。

コンプレッサーは、エンジンの気筒の下部に２段に設けられ、上段を第一コンプレッサー、下段を第二コンプレッサーと称する。両者は６サイクルエンジンのピストン２のピストンピン３に固定されているピストン管４と直結して動作する。ピストン管４は第一隔板１７に設けられた孔を突き抜けるように矢印４０、矢印４１のように垂直に上下動する。ピストン管とエンジン隔板との間はメタルにより気密を保っている。

第一コンプレッサーは、ピストン２の背面と第一隔板１７との間が圧縮室２４となって、第一ピストン２の上下運動と共に圧縮気体を作り出す。
第二コンプレッサーは、第二隔板１２の上部に設けられ、ピストン管４と直結した第二ピストン７との間の第二圧縮室４４で、第一ピストン２と第二ピストン７の上下運動と共に、第一コンプレッサーとは別系統で圧縮気体を作り出す。

第二ピストン７はそのピストンリングを筒体に摺動させることで、ピストン管４の垂直運動支持体となり、ピストン管の運動を安定せしめる。
ピストン管４は、その下端をコンロッドピン５により、コンロッド６に自在に連がれており、ピストン管の上下運動をクランクの回転運動に変え、動力を発生せしめる。

コンプレッサーの圧縮室にはそれぞれ吸入口と吐出口が設けられている。第一コンプレッサーの圧縮室２４には吸入口１９がバネ付きの弁と共に設けられ、吐出口２１もバネ付きの弁と共に設けられている。第一ピストン２が矢印４１のように下降するとき、第一圧縮室２４の気体は吐出口２１より矢印２３のように吐出される。

第二コンプレッサーの第二圧縮室４４には吸入口１８吐出口２０がバネ付きの弁と共に設けられている。第二ピストン７も第一ピストンと共に下降し、第二圧縮室４４の気体は、吐出口２０より矢印５４のように吐出される。

第一ピストン２と第二ピストン７の上下によってエンジンの第一と第二隔板と両ピストンとの間がコンプレッサーの圧縮室２４並びに４４となる。吸入気体は、コンプレッサー吸入口１９、並びに１８より圧縮室に入り、吐出口２１並びに２０より高圧となって矢印２３並びに５４のように吐出される。これらは水素ボンベ又は空気ボンベに一時貯留される。どちらのボンベに向かうかは、あらかじめ定められた気筒による。

「水素専用６サイクルエンジンの説明」その３（６サイクルエンジンの運転）
エンジンの運転時は圧力気体は一方でボンベに貯留される分と、直接運転に使われる分にわかれる。運転に使われる分は図２に示すようにバルブ３７と計量器３０、あるいはバルブ３８と計量器２９を経て、ガス予混合器３３に入り混合されてから、燃料ガスインテークマニホールド８より矢印１４のように筒内に圧入される。

［図３］ に示すように、上述の混合ガスは２〜５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で燃料インテークマニホールド８より筒内に圧入される。この時ピストン２は最上点から最下点に移動する。第一コンプレッサーの吐出口２１は開いており、圧力ガスは矢印２３のようにボンベ又は予混合器３３に向かう。第二コンプレッサーの吐出口２０は開き、気体は第二圧縮室４４から矢印５４のように吐出される。

［図４］ に示すように、クランクの回転と共に、ピストン管４は垂直に上方に移動し、ピストン２とピストン７も上昇する。［図３］で圧入された混合ガスを圧縮する。この時ピストン２の下部の第一コンプレッサーで吸入がはじまり、吸入口１９より気体が矢印２５のように第一圧縮室２４に吸入される。これと同時にピストン７の第二コンプレッサーでは、圧縮室４４に吸入口１８より矢印４２のように気体が吸入される。

［図５］ に示すように、スパークプラグ１１で点火され、圧力ガスは爆発し、膨張して、ピストン２とピストン管４、ピストン７が押し下げられ、コンロッド６によりクランクが回転し、クランクシャフトに動力を発生せしめる。
第一コンプレッサーの第一圧縮室２４に吸い込まれていた気体はピストン２の背面により圧縮され、吐出口２１より矢印２３のように吐出され、それぞれのボンベ又は予混合器３３に向かう。
第二コンプレッサーのピストン７は下降し、第二圧縮室４４で吸入されていた気体はピストン７の背面で圧縮され吐出口２０より矢印５４のように吐出され、ボンベ又は予混合器３３に向かう。

［図６］ に示すように下降したピストン２はクランクにより上昇に転じ、エンジン筒１に貯まった既燃焼ガスをエクゾースト・マニホールド１０より矢印１３のように排気する。この時第一コンプレッサーは吸入口１９より矢印２５のように気体を吸入し、第二コンプレッサーは、第二圧縮室４４に、吸入口１８より矢印４２のように気体を吸入する。

［図７］ に示すように筒内上部に残った熱気を冷却し、バルブオーバーラップを避けるために、冷空気をエアー・インテークマニホールド９より取り入れる。第一と第二のコンプレッサーの働きは今までどうりで気体の吐出をする。

［図８］ に示すように、筒内の掃気をするために、ピストン２は最上点にまで上昇し、熱掃気空気をエクゾースト・マニホールド１０より矢印１３のように排出し、筒内を冷却する。この際の第一、第二コンプレッサーは、他の気筒の動力で吸入、圧縮、吐出をくりかえす。

水素専用６サイクルエンジンはピストンを３往復で１回爆発という形式であるが、燃料の水素と燃焼助剤の空気を共に高圧にして供給し、更にそれを高圧に圧縮して爆発させるので、メタンやプロパンガスのような炭化水素系のガスに近い駆動力を発揮する。

「補機について」
エンジンに内蔵されているコンプレッサーで加圧された水素又は空気は別々のタンクで貯留され、運転の必要に応じて、１対２．５の比率で高速流体用のガス予混合器３３を使用する。

本発明は地球の温暖化を防止するために、水素を燃料とする水素専用コンプレッサー内蔵６アイクルエンジンであるが、炭化水素系の気体を燃料とするエンジンにも応用できる。

本発明のエンジンの上蓋部を上から見た燃料インテークマニホールド、空気インテークマニホールド、エクゾーストマニホールド２個、スパークプラグの配置図 本発明の予混合器、水素と空気のボンベの作動を示す全体図。 本発明の６行程エンジンの混合ガスの吸入行程の図 本発明の６行程エンジンの圧縮行程の図 本発明の６行程エンジンの爆発行程の図 本発明の６行程エンジンの排気行程の図 本発明の６行程エンジンの冷却のための冷空気を吸入する図 本発明の６行程エンジンの掃気行程の図 ガス予混合器の縦断面図

Claims (2)

1. この発明は、同一エンジン内ピストンの背圧を利用した多段式コンプレッサーを使って圧縮した２〜５ｋｇ／ｃｍ^２の高圧水素と高圧空気を混合して燃焼させ、高い駆動力を生み出すようにした水素専用コンプレッサー内蔵式６サイクルエンジンとした。
2. この発明のエンジンは、通常の４サイクルのあとに、掃気用冷空気吸入と、その排気行程を設けて、バルブオーバーラップによる水素の早期着火を避け、安定した駆動力を生み出す水素専用コンプレッサー内蔵式６サイクルエンジンとした。

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